美國潛艦射控、作戰系統

──By Captain Picard


 

1.CSS MK-1

在1980年代初期,由於美國潛艦陸續裝備如戰斧巡航飛彈、魚叉反艦飛彈等超視距攻擊武器,加上全數位化的MK-48 ADCAP魚雷即將問世,因此美國海軍 需要一種整合度更高的潛艦射控系統,以因應新武器帶來的資料處理量。美國海軍首先以搭配AN/BQQ-5聲納系統的MK-ll7數位水下射控系統為基礎,擴充硬體並提高電腦運算能力 ,以新的軟體控制,推出作戰控制系統/全數位化中心(Combat Control System/All Digital Attack Center,簡稱CCS),作戰控制系統一型(CCS MK-1)在1983年6月率先裝備在洛杉磯((Los Angeles class)級核能攻擊潛艦巴爾的摩號(USS Baltimore SSN-704) 號上,此系統隨後安裝於新造的同級艦,並陸續回溯改裝於已經完工服役的同級艦上,最後總共生產了一百套以上,包括用於潛艦與 陸地訓練、軟體開發維護單位。

CCS MK-l的核心保留原本MK-ll7水下射控系統的主要硬體,包括一具雙處理器版AN/UYK-7數位電腦、兩具MK-81武器控制台 、一具MK-92攻擊顯控台和一些周邊設備 ,其中UYK-7電腦專門用來處理AN/BQQ-5整合聲納系統、拖曳陣列聲納與導航系統的數據;此外,CCS MK-l也新增了一些硬體,包括兩具AN/UYK-44來處理武器射控 (此部分原由UYK-7電腦處理),並再增加一具MK-81武器控制台,用於處理超視距目標數據,並與無線電室連接。 相較於MK-117,CCS MK-1 Mod 0型增加了控制從魚雷管發射的戰斧巡航飛彈(含對地與反艦型)的能力。

隨後美國海軍繼續擴充CSS MK-1,MK-1 Mod1型首度增加MK-48 ADCAP魚雷的運用能力 (此時還是ADCAP初期研發階段) , MK-1 Mod 2型用於加裝12管MK-36垂直發射系統(裝填戰斧飛彈)的洛杉磯-2級(SSN-719起);而MK-1 Mod.3則整合了Mod1/2型的全部功能 (包含控制垂直發射戰斧巡航飛彈以及MK-48 ADCAP魚雷)。CCS MK-1的C4.2版軟體(1986年完成)之後,都可以支援MK-48 ADCAP的射控工作。

2.AN/BSY-1

在1970年代後期,由於採用計算機控制的BQQ-5整合聲納系統(含球型陣列聲納與適形被動陣列聲納等)與拖曳陣列聲納的問世,美國核能攻擊潛艦的 聲納性能(尤其是被動聽音)獲得大幅提高,資訊處理量也大為增加,而體積更小、性能更好的數位電腦也進一步問世;同時,蘇聯也推出了更安靜的勝利-III級等核能潛艦 。為此,美國海軍展開一項與當時規劃中水面艦使用的AN/SQQ-89相似、供潛艦使用的整合作戰/聲學(CC/A)系統,將艦上所有的聲納傳感器結合在一起統一運作處理, 並直接連結潛艦上各個射控、武器系統,大幅提高整體作戰效率。在1980年4月,美國海軍提出潛艇先進作戰系統(SubACS)方案,發展一種採用分散式架構的整合作戰系統, 以光纖資料匯流排連接各聲納傳感器、資料處理器與顯控台;此方案在1981年正式提出,並於1983年展開招標;經過三個月後,IBM公司聯邦系統分部獲得國防部價值68340萬 美元的研發合約,進行工程研發與初期生產。

依照原訂計畫,SubACS分成三階段組成:第一階段A型系統於1983至1985年度裝備於新造的第一批改良型洛杉磯級(688-I)核能攻擊潛艦 (SSN-751~759),第二階段的B型系統於1986財年開始裝備於後續剩下的688-I級潛艦(SSN-660~772),第三階段B prime系統用於更新一代的海狼級核能攻擊潛艦。 然而由於SubACS是美國軍方第一個分散架構戰鬥系統的計畫,在分散架構處理網絡和光纖資料匯流排/接口等關鍵技術面臨嚴重瓶頸,經費超支85000萬美元 。於是此一計畫被迫停止,並1985年5月重新分成兩個階段,首先為688-I型潛艦開發AN/BSY-1戰鬥系統,接著才為新一代海狼級攻擊潛艦開發AN/BSY-2潛艦先進作戰系統(Submarine Advanced Combat System,SUBACS)。 AN/BSY-1繼續由IBM主導研製,而AN/BSY-2則由IBM與RCA(後成為GE航太的潛艦做戰系統分部)競爭。

在1986年9月,IBM開始生產第一套功能經過簡化的初期版AN/BSY-1 ,並安裝於首艘688-I型潛艦聖硫磺(USS San Juan SSN-751)上,該艦於1988年8月服役,此時某些較大型的硬體還沒有到位;由於計畫協調不良,第一套原型系統的懶線在裝入已經擁擠的聖硫磺號艦上時,發生不少問題。第一套完整的AN/BSY-1裝備於688-I的 邁阿密號(USS Miami SSN-755) 上,該艦於1990年6月服役,並在四個月之後完成系統評估。美海軍總共訂購25套AN/BSY-1系統,裝備於688-I潛艦與以及某些陸地訓練或軟體開發維護單位。 最初的洛杉磯改進型(SSN-751~755)的AN/BSY-1採用AN / UYK-7計算機,日後則逐步改用更新型的AN/ UYK-43。

AN/BYS-1的系統架構大致區分為BSY-1作戰控制系統和AN/USY-1聲納信號整合處理系統;其中,作戰控制系統的硬體架構與CCS MK-l 的結構相同,保留了UYK-7和兩具UYK-44計算機作運算處理設備,並以MK-81武器控制台作為主要人機介面;而其大部分軟體也與CCS MK-l的相同(以CMS-2程式語言撰寫),節省了系統整合的開發時間。 至於聲納整合處理系統則是BSY-1的開發重點,將艦上所有電子裝備、聲納傳感器、武器系統與射控數據轉換器整合成一套完整的偵測與武器系統,在同一個控制介面底下運作, 從此各聲納的資料交換或將目標資料輸入射控系統等再也不需要運用人工,作戰效率大幅增加。此外,系統中還增加一套整合式潛艦數據系統,將艦上的導航、運作狀況等各種數據整合在一起呈現,改進了船艦的運行機能。 AN/BSY-1也新整合了戰術資料交換系統(TADIX)與軍官戰術資料交換系統(OTCIX)來接收來自友艦或地面指揮單位傳來的目標訊號,以進行戰斧飛彈的射控。 配合AN/BSY-1的改進型聲納系統是AN/BQQ-5D,硬體架構與先前的型號大致相同,更新了波束塑形與訊號處理電腦,以提高波束指向能力與目標偵測的正確性,此外也 提升了被動聲納的性能,改良了顯控台,並新增TB-23拖曳陣列聲納的運用能力。

AN/BSY-1結合了艦上幾種聲納系統,包括潛艦主動探測系統(Submarine Active Detection System,SADS),包括中頻處動能力(Medium-Frequency Active Capability,MFAC,即AN/BQS-13球型陣列聲納,亦具備環場被動聽音模式)以及高頻主動能力(High-Frequency Active Capability,HFAC,即安裝在帆罩的AN/BQS-15水雷、障礙物迴避聲納),此外還結合TB-16與TB-23拖曳陣列聲納。688-I型潛艦從哥倫比亞號(USS Columbia SSN-771)起,還新增AN/BQG-5分立式寬孔徑被動陣列聲納(Stand-Alone Wide-Aperture Array,SWAA)。

AN/BSY-1是美國海軍第一套大型軍用分散式架構系統,資料分別在不同的幾部電腦中 處理,速度與防癱瘓能力較傳統的中央電腦式系統好。整體而言,BSY-1擁有117個單機(包括64個多功能處理器、 35個專用處理器與數位成波器)、60MB的記憶體與400MB的硬碟,戰術軟體的指令碼達3萬6000條左右(許多沿用自NTDS) ,具有120MCOPS的信號處理能力、800MCOPS的拖曳聲納信號處理能力以及2GOPS的主動聲納波束塑型能力,系統總重量約32ton。 根據美國海軍的操作經驗,AN/BSY-1戰鬥系統相當好用,但是整合度仍然不夠,運算速度也稍嫌不足。

美國海軍在2000年代為洛杉磯級核能攻擊潛艦、俄亥俄級核能彈道飛彈潛艦進行聲學快速商規現成組件插入(Acoustics Rapid Commercial Off The Shelf Insertion,A-RCI)升級計畫,其中包括AN/BSY-1作戰系統的 ECP 1000升級程序、AN/BQQ-5中頻主動聲納改進計畫(Medium Frequency Active Improvement program)、改進顯控台與過時裝備替換(Improved Control Display Console Obsolete Equipment Replacement)等項目。其中,A-RCI第一與第二階段(Phase I與Phase II)包含拖曳陣列聲納信號處理系統升級,而第三階段(Phase III)則對艦首球型陣列聲納的後端處理系統進行升級。此外,還有一個獨立的AN/BSY-1高頻升級(High Frequency Upgrade)計畫,只針對洛杉磯改進型(688-I)核能攻擊潛艦,包括A-RCI 第四階段(Phase IV),包括改進拖曳陣列聲納在淺水環境下的處理能力、水聽器(hydrophone )與水下遙測器(telemetry )等聲學硬體的降低成本風險計畫提案、改進機械持續運作能力、聲納系統標準化、改進OA-9070處理系統可靠度、引進TB-29拖曳陣列聲納等。

 

3.CSS MK-2

在1980年代中期,美國海軍除了發展AN/BSY-1之外,稍後也規劃用來接替CCS MK-l的新一代潛艦射控作戰系統,以新的軟硬體架構取代原本CCS MK-1的1960、70年代架構 ,不僅提高系統的可靠度和效能,也擴充了系統的功能與整合度。此系統這就是作戰控制系統二型(CCS MK-2),在1988年由雷松(Raytheon)贏得研發生產合約,裝備於 改良型洛杉磯級核能攻擊潛艦與俄亥俄級核子動力彈道飛彈潛艦上,日後也被海狼級採用。在1993年初,CCS MK-2完成軟硬體整合開發,並進行完整操作試驗和評估。CCS MK-2與AN/BQQ-5E數位化艦載聲納系統的組合稱為「QE-2」。

CCS MK-2具有指揮、航行戰術控制、武器控制、目標動態分析等機能,並具備對付超視距目標的能力。 CCS MK2將原來CCS MK-l和AN/BSY-1的手動、電腦輔助和拖曳陣列聲納目標運動分析操作方式整合起來,能以整合的單一方式分析目標動態,一次可控制4枚MK-48ADCAP魚雷進行接戰。 硬體方面,CCS MK-2以一具UYK-43與一具UYK-44來取代原本的一具UYK-7和兩具UYK-44的架構,軟體由CMS-2和ADA語言撰寫,並引進商規軟硬體 。在CCS MK-2中,UYK-43用來處理CCS MK-l中UYK-7的全部功能,以及其中一具UYK-44的武器數據處理工作 ,這些包括背景處理、分配資料、伺服器、資料連通等。 而CCS MK-2的UYK-44以及 Loral ASPRO高速平行處理器(high-speed parallel processor)則專門處理攻擊超視距目標以及武器射控等工作,以一個CP-2037/UYK平行處理器來協助處理高目標航跡速度。 介面方面,CCS MK-2以四具商規MK-130通用顯示器(CDS)取代原本CCK MK-l的MK-81武器控制台 。MK-l30以其矽谷影像公司(SiliconGraphics)的4D/20個人資訊工作站為基本架構,處理速率可達8MIPS; 其顯示器為一具19吋(48.26cm)光柵掃描主顯示器,解析度為1280x1024相素, 能同時顯示來自兩個不同感測器的圖像和文字、數字信息,並可同時開啟16個視窗;而其他的人機介面則包括專用開關、一個小鍵盤和一個QWKRTY鍵盤 。MK-l30 CDS可互換顯示與操控機能,提高了系統交互操作與備援能力,而其中兩具CDS則用於超視距目標的定位 在CCS MK2中,配套的整合聲納系統系統為BQQ-5E,新增了基陣更長的TB-29拖曳陣列聲納,並以UYK-43主電腦取代過去的UYK-7。 CCS MK-2具有戰斧Block 3巡航飛彈、MK-48 ADCAP魚雷的運用能力,並支援拖曳陣列聲納目標動態分析(Target Motion Analysis,TMA)。

在俄亥俄級彈道飛彈潛艦上,CCS MK-2搭配的聲納系統為AN/BQQ-6,除了省略主動聲納部件外,大致與BQQ-5相同。改進後的CSS MK-2系統中的硬體架構包括工作站(人機介面)、區域網路、背板、符合可移植作業系統規範(Portable Operating System Interface of UNIX,POSIX)的作業系統、資料庫管理、圖形等。

CCS MK-2 Block 1是1990年代啟動的一項分階段發展計畫,為洛杉磯級核能攻擊潛艦、俄亥俄級核能彈道飛彈潛艦上的CCS MK-2進行升級。第一階段的Block 1 A/B採用戰術先進電腦系統3(Tactical Advanced Computers 3,TAC-3)硬體,可支持SFMPL、NTCS-A、Link-11、先進戰斧控制系統( Advanced Tomahawk Weapon Control System,ATWCS)、全球指揮管制海上系統(Global Command and Control System- Maritime,GCCS-M)等子系統 ,並支持MK-48 Mod.6 ADCAP魚雷的淺水作業能力升級。GCCS-M與ATWCS都依照美國海軍計畫辦公室推動的政府商規現成組件(COTS)計畫,使用現成的民間主流電子產品來取代過去的軍規系統。CCS Mk 2 Block 1A/B在1997財年第三季完成了兩個塢內安裝( dockside installations)與作戰評估(Operational Evaluation)。接下來的CCS MK2 Block 1C是涵蓋洛杉磯級、維吉尼亞級核能攻擊潛艦的通用整合發展計畫(Common Integrated Development Plan,IDP)的基礎,結合戰術型戰斧(Block IV+)飛彈、改進型潛艦機動水雷(Improved Submarine-Launched Mobile Mine,ISLMM)、改進型MK-48 ADCAP魚雷等武器,同時改進GCCS-M與ATWCS。CCS MK2 Block 1C在1996財年第三季完成里程碑C(Milestone C),1999財年引進艦隊,在2000財年進行裝艦以及作戰測試( Operational Testing,OT)。CS MK2 Block 1C的負責單位是雷松集團位於羅德島州朴次茅茲的廠區(Raytheon, Portsmouth, Rhode Island)。

在1990年代後期,美國海軍針對三種現役潛艦戰鬥系統CCS MK-1、AN/BSY-1、CCS MK-2展開Program C4.2V2A升級程序,涵蓋當時尚未除役的鱘魚級核能攻擊潛艦以及洛杉磯級核能攻擊潛艦;這些包括配合MK-48 ADCAP Mod.6魚雷(改進淺水操作能力)、戰斧Block III巡航飛彈、A-RCI聲學套件升級、增設全球指揮管制海上系統(Global Command and Control System- Maritime,GCCS-M)的介面(先情稱為聯合海上控制資訊系統, Joint Maritime Command Information System,JMCIS)。Program C4.2V2A的安裝作業在1999財年執行,在這個財年就完成所有CCS MK 1、AN/BSY-1的升級。Program C4.2V2A的負責單位是隸屬羅德島州紐波特的海軍水下作戰中心(Naval Underwater Warfare Center,NUWC, Newport, Rhode Island)的服役工程代理(In-Service Engineering Agent)。

 

4.AN/BSY-2

作為AN/BSY-1的後繼型,繼承原RCA的通用電機(General Electric,GE)航太潛艦系統分部(後成為Martin Marietta)於1988年1月擊敗IBM,贏得AN/BYS-2潛艦先進作戰系統(Submarine Advanced Combat System,SUBACS)的全工程發展合約(價值1360萬美元), 在1988年10月獲得為海狼級核能攻擊潛艦生產AN/BSY-2的合約,在1993年11月完成第一套原型系統。 由於海狼級的產量大幅縮水至三艘,最後美國海軍只訂購四套AN/BSY-2。

在1988年12月,新港紐斯造船廠(Newport News Shipbuilding)抱怨由於AN/BSY-2的設計,妨害到AN/BSY-2水下作戰系統整合到海狼級核能攻擊潛艦的工作。早在AN/BSY-2確定承包商之前,新港紐斯已經進行海狼級設計工作一段時日,當時只能以較為模糊與彈性的規格進行相關設計;在1988年初正式選擇GE之前,新港紐斯無法與當時仍在競爭的廠商(GE與IBM)建立直接聯繫;結果最後得標的GE的設計,與新港紐斯的船艦設計顯著不同,使計畫進度落後超過一年。依照1989年政府審計組織(General Accounting Office,GAO),為了完成AN/SYS-2的系統軟體(共320萬行指令),AN/BSY-2項目總共需要900名程式工程師。在1990年10月,美國海軍宣布在SYS-2中使用商規Motorola 68000處理器來降低開發成本。

AN/BSY-2是美國海軍第一種真正的一體化潛艦作戰系統,結合潛艦上所有的資料數據處理系統、感測系統、操作與武器顯控台(以光纖資料匯流排連接)。AN/BSY-2採用全分散式系統架構,而CCS MK-2則是其下的一個主要子系統。AN/BSY-2整合艦上各型聲納,包括大型球型陣列聲納(Large Spherical Array,LSA)與低頻陣列聲納(這兩者就是艦首球型主/被動陣列聲納)、AN/BQG-5寬孔徑被動陣列聲納(WAA)、BQS-24水雷與障礙物探測迴避聲納(Mine-Detection and Avoidance Sonar,MIDAS)、TB-16D與TB-29拖曳陣列聲納等。

 AN/BSY-2的核心是AN/UYS-2聲學信號處理器,整體處理能力是AN/BSY-1的AN/USY-1的好幾倍。AN/BSY-2總共擁有1000個以上的Motorola商規處理器 ,其中有300個是UYS-2聲學信號處理器的32位元Motorola 68030處理器,構成一個由102個處理器節點的彈性架構;這些處理器用於基本資料處理、輸入/輸出控制、機櫃控制和信號處理 ,並區分為聲學信號處理、指揮控制、武器射控和顯示等四個不同的任務類型。在武器處理器組的類型中,有一個指定的部件相容於所有的四種類型處理器,因此系統中任何一個處理器都可以作為武器類處理器的備援,一但有處理器失效時可由其他處理器遞補。處理器之間具備相互備援功能,如果某一類處理器無法工作,則可由人工介入方式調用其他處理器來遞補。

在武器類中有一個指定的備件對所有4類處理器都適用,這樣,任何處理器停止工作時都會有備件替換它。第二個措施是,在同一類處理器中有一台出現故障,其余完好的將作為備件使用;如果某一類處理器不能進行工作,那麼可以通過人工干預將備用處理器插到系統中

 後端系統還包括成波器、模組信號處理器與一部可提供4000門通用成波的Vhsic晶片陣列處理器,艦上所有聲納系統獲得的數據都透過這個陣列處理器處理並形成波束。 AN/BSY-2以Flexnet區域網路連接所有的傳感器、資料計算處理單元、工作站與武器射控系統,全系統 硬碟儲存容量為4.7GB,隨機存取記憶體(RAM)容量則為1.8GB。AN/BSY-2使用ADA語言撰寫軟體, 全新撰寫的程式超過200萬行,而軟體程式總行數則超過300萬行。 全系統擁有11具新開發的AN / UYQ-70商規組件工作站,系統可重新對多個執行任務進行編譯,因此萬一有部分工作站失效,其功能將立刻由其他顯控台接手 ;工作站的人機介面則 包括QWERTY鍵盤、軌跡球和觸控螢幕。顯示戰術態勢的相關系統包括戰術態勢繪圖儀、傳輸組(transmit group)、大型垂直顯示器和大型橫向顯示器、6個用於顯示數據的顯示器等。

由於海狼級研發當時的電腦技術較為有限,新制訂的軍規ADA高階程式語言啟用未久,熟悉的工程師不多,而SYS-2又是一種擁有320行程式語言的大型複雜系統, 採用分散式架構就必須承擔運作速率大幅滑落的風險。由於BSY-2系統十分龐大複雜,平均每分鐘需要157加侖的冷卻水。

 

5.AN/BGY-1潛艦戰鬥系統

AN/BGY-1是2000年代美國海軍研發的潛艦作戰系統,基於與商規主流市場相同的開放式系統架構(Open-Architecture,OA)以及全分散式計算機結構,並使用商規現成組件(Commercial Off-The-Shelf,COTS)硬體。AN/BGY-1的功能包括分析潛艦上各感測器的資料進行分析、追蹤水下潛艦與水面船艦目標、提供態勢感知(Situational Awareness,SA)、射控計算並部署武器(飛彈、魚雷等)接戰。

AN/BGY-1是基於先前CCS MK2的系統架構發展而成。在2004年10月25日,雷松獲選為AN/BYG-1的主要系統整合者,而AN/BYG-1在2005年7月起裝備於洛杉磯級核能攻擊潛艦上。在2006年1月,雷松宣布為已經為澳洲柯林斯級(Collins class)柴電攻擊潛艦安裝AN/BYG-1潛艦作戰系統。爾後AN/BGY-1的相關研發業務轉移到通用動力先進資訊系統( General Dynamics Advanced Information Systems,GD AIS )。

 AN/BGY-1裝備於2000年代美國海軍推出的維吉尼亞級 核能攻擊潛艦,而海狼級、洛杉磯級核能攻擊潛艦以及俄亥俄級核能彈道飛彈潛艦也在2000年代後期陸續換裝;同時,AN/BGY-1的衍生型也出口至澳洲,裝備於柯林斯級柴電攻擊潛艦。

AN/BGY-1包括潛艦戰術控制系統( Tactical Control System,TCS)與武器控制系統(Weapon Control System,WCS),整合艦上的所有感測器(聲納、導航雷達、電子截收、光電潛望鏡等)、通信系統以及武器控制系統,提高 了作戰效率並節省人力;其中,TCS將艦上所有感測系統的資料輸入融合成單一共通戰術作業圖像,大幅提高了態勢感知以及資訊保證( Information Assurance,IA)能力,而WCS則負責武器射控;TCS與WCS的開發工作是分開進行。AN/BGY-1的架構與先前雷松的CCS MK-2類似,採用開放式系統架構(Open System Architecture,OSA),大量使用商規電子組件。在發展初期,AN/BGY-1使用本身就有資料處理能力的UYQ-70商規彩色顯控制台 為主要運算/人機介面單元 ,此型顯控台亦為神盾Baseline 7戰鬥系統的基礎部件。

由於計算機技術的進步,加上運用先前AN/BSY-2的開發與使用經驗,AN/BGY-1的資料處理能力號稱達到AN/BSY-2的七倍 以上,但成本卻只有AN/BSY-2的1/6,並在美國作戰測試暨評估部隊(Operational Test & Evaluation Force)、潛在作戰應用效能(Potentially Operationally Effective)以及潛在作戰實用性(Potentially Operationally Suitable)等測試評估項目上獲得最高評分。AN/BGY-1在安裝上艦之前,已經在通用電船公司位於康乃狄克州的葛洛頓船廠的陸上測試場完成了測試、調校甚至升級作業,這使維吉尼亞級核能攻擊潛艦並未如以往的美國潛艦般,在服役初期遭到外界的嚴厲批評。

AN/BYG-1作戰系統的後續升級配合美國海軍針對軟體升級的先進處理能力建設(Advanced Processing Builds,APBs)以及針對硬體升級的技術插入(Technology Insertions,TIs)計畫來實施,定期更新軟體版本以及淘汰過時硬體;而APBs、TIs與先前美國海軍為潛艦部隊實施的聲學快速商規現成組件插入(Acoustics Rapid Commercial Off The Shelf Insertion,A-RCI)無關。AN/BYG-1的主承包商通用AIS建立了TCS的共同開發環境(Collaborative Development Environment ,CDE),與相關次承包商在CDE上進行持續的軟體升級,並充分利用商規現成組件(COTS)、開源(Open Source) 軟體資源來降低作業成本。TCS CDE 提供一個加密的網站,讓所有相關軟體開發者能存取整個機密或非機密的TCS信息資料庫。TCS在2011年的升級計畫中,包括納入無人飛行載具(UAV)的指揮控制能力,並更新高解析度顯示器。